CN108683357A - 一种活塞式运动的摩擦电磁混合发电机及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种活塞式运动的摩擦电磁混合发电机，包括活塞和腔体，所述活塞位于腔体内，且能够在腔体内滑动；所述活塞包括载体，所述载体为外围包裹有第一聚酰亚胺胶带的铷铁硼磁铁，所述第一聚酰亚胺胶带上紧密贴合有呈栅状的尼龙纤维形成独立摩擦层；所述腔体包括摩擦主体，所述摩擦主体为外壁贴合有指叉状的铜电极的聚四氟乙烯管；所述铜电极外包裹有第二聚酰亚胺胶带，所述第二聚酰亚胺胶带上缠绕有漆包铜线作为电磁线圈。本发明还涉及上述发电机的制备方法。本发明可以持续高效地收集机械能。

Description

一种活塞式运动的摩擦电磁混合发电机及其制备方法
技术领域
本发明涉及发电机技术领域，特别是涉及一种活塞式运动的摩擦电磁混合发电机及其制备方法。
背景技术
随着科学技术的不断发展，人类对能源的需求愈加旺盛，然而传统能源不断枯竭，能源危机日益严重，因此人类亟需寻找一些新能源来改变目前的困境。机械运动是自然界中最简单、最基本的运动形态，自从一百多年前人类第一次利用发电机将机械能转化为电能开始，发电机的效率不断提高，人类利用机械能的手段愈发多样化。然而，传统的发电机是基于电磁感应的方式进行发电，由于结构复杂、体积大，自然界许多微小的机械运动产生的能量电磁发电机都无法利用。此外，根据麦克斯韦经典方程组可以发现，电磁感应发电往往适用于高频率的机械运动，其对于日常生活中低频运动的利用效率极低。因此，造成了机械能的大量浪费，在如今能源紧缺的情况，亟需一种新的发电方式来收集这些被浪费掉的机械能。
2012年美国佐治亚理工学院的王中林教授研究团队首次提出了摩擦纳米发电机的概念，这种发电机以麦克斯韦经典方程组为依托，可以持续高效地收集低频机械能。如果将摩擦发电机与电磁发电机结合起来，就可以全方位的收集、转化不同运动形式产生的能量。然而，现有的摩擦电磁混合发电机结构和运行方式较为复杂，能量利用效率低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种活塞式运动的摩擦电磁混合发电机及其制备方法，可以持续高效地收集机械能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种活塞式运动的摩擦电磁混合发电机，包括活塞和腔体，所述活塞位于腔体内，且能够在腔体内滑动；所述活塞包括载体，所述载体为外围包裹有第一聚酰亚胺胶带的铷铁硼磁铁，所述第一聚酰亚胺胶带上紧密贴合有呈栅状的尼龙纤维形成独立摩擦层；所述腔体包括摩擦主体，所述摩擦主体为外壁贴合有指叉状的铜电极的聚四氟乙烯管；所述铜电极外包裹有第二聚酰亚胺胶带，所述第二聚酰亚胺胶带上缠绕有漆包铜线作为电磁线圈。
所述载体的直径为9.5～15mm，长度为180～250mm，磁力强度为6000～10000高斯。
所述尼龙纤维的独立摩擦层直径为65～100μm，纤维长度3～10mm，栅状每个光栅的宽度为5～15mm，相邻两个光栅的距离为6～18mm。
所述聚四氟乙烯管内径13.5～31mm，管壁厚0.5～1mm，管长度为150～220mm。
所述指叉状铜电极由两组栅状结构铜电极交替构成，栅状结构铜电极宽度为5～15mm，相邻两个栅状结构铜电极的距离为0.5～1.5mm，在两组栅状结构铜电极末端各预留一段作为极耳。
所述漆包铜线的直径为60～80μm。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种上述活塞式运动的摩擦电磁混合发电机的制备方法，包括以下步骤：
(1)用第一聚酰亚胺胶带将铷铁硼磁铁完全包裹，作为载体；然后将尼龙纤维呈栅状紧密贴合于第一聚酰亚胺胶带上，作为独立摩擦层；载体与独立摩擦层集成于一体作为活塞；
(2)将聚四氟乙烯管进行超声清洗、烘干，使用电感耦合等离子体对聚四氟乙烯管内壁进行处理，将指叉状的铜电极紧密地贴合于聚四氟乙烯管的外壁，作为摩擦主体；用聚酰亚胺胶带将铜电极包裹起来，然后将漆包铜线紧密的缠绕于聚酰亚胺胶带上，作为电磁线圈；摩擦主体与电磁线圈集成于一体作为腔体。
所述聚四氟乙烯管超声清洗的时间为0.5～2h，烘干的温度为60～90℃，烘干的时间为20～60min。
所述电感耦合等离子体刻蚀过程中ICP功率为200～700W，RF功率为30～150W，腔体压力为5～25mTorr，刻蚀时间为300～500s。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明的混合发电机结构简单，制作方便，成本低廉，所用原材料均可从市场上低价购得；本发明通过活塞运动对摩擦发电机与电磁发电机进行集成，可以分别作为电压源和电流源使用；本发明所制备的混合发电机运动方式简单，可同时收集低频与高频运动的机械能，能量利用效率较高。
附图说明
图1为实施例1中摩擦电磁混合发电机的结构示意图；
图2为实施例1中摩擦电磁混合发电机的截面示意图；
图3为实施例1中贴合于聚酰亚胺胶带上的指叉状铜电极在平面上展开后的示意图；
图4为实施例1中摩擦电磁混合发电机中滑动式独立层模式摩擦发电机的工作机理图，驱动电荷定向移动的动力来自带正电荷的尼龙纤维的滑动；
图5为实施例1中摩擦电磁混合发电机作为电压源的输出信号；
图6为实施例1中摩擦电磁混合发电机作为电流源的输出信号。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种活塞式运动的摩擦电磁混合发电机，包括活塞和腔体，所述活塞位于腔体内，且能够在腔体内滑动；所述活塞包括载体，所述载体为外围包裹有第一聚酰亚胺胶带的铷铁硼磁铁，所述第一聚酰亚胺胶带上紧密贴合有呈栅状的尼龙纤维形成独立摩擦层；所述腔体包括摩擦主体，所述摩擦主体为外壁贴合有指叉状的铜电极的聚四氟乙烯管；所述铜电极外包裹有第二聚酰亚胺胶带，所述第二聚酰亚胺胶带上缠绕有漆包铜线作为电磁线圈。
下面通过3个实施例来进一步说明本发明。
实施例1
用聚酰亚胺双面胶带2将直径为9.5mm、长度为180mm、磁力强度为6000的铷铁硼磁铁1完全包裹，使其与外界环境完全绝缘；然后将直径为65μm、长度为3mm的尼龙纤维3呈栅状紧密贴合于聚酰亚胺胶带2上，作为独立摩擦层，栅状尼龙纤维3每个光栅的宽度为5mm，相邻两个光栅的距离为6mm。将内径为13.5mm、管壁厚为0.5mm、管长为150mm的PTFE管4分别用水、酒精超声清洗0.5h，然后将PTFE管4放于60℃的烘箱中60min；烘干后，使用电感耦合等离子体对PTFE管内壁进行刻蚀处理，刻蚀过程中，ICP功率为200W，RF功率为30W，腔体压力为5mTorr，刻蚀时间500s。随后，将指叉状的铜电极5紧密地贴合于PTFE管4外壁，铜电极5宽度为5mm，相邻两个铜电极的距离为0.5mm，再用聚酰亚胺双面胶带6将铜电极5包裹起来。最后，将直径为60μm的漆包铜线7紧密的缠绕于PTFE管4外壁的聚酰亚胺胶带6上。图1为摩擦电磁混合发电机的结构示意图。图2为摩擦电磁混合发电机的截面示意图。图3为贴合于聚酰亚胺胶带上的指叉状铜电极在平面上展开后的示意图。图4为摩擦电磁混合发电机中滑动式独立层模式摩擦发电机的工作机理图。图5和图6分别为摩擦电磁混合发电机作为电压源和电流源的输出信号。
实施例2
用聚酰亚胺双面胶带将直径为12mm、长度为210mm、磁力强度为8000的铷铁硼磁铁完全包裹，使其与外界环境完全绝缘；然后将直径为80μm、长度为5mm的尼龙纤维呈栅状紧密贴合于聚酰亚胺胶带上，作为独立摩擦层，栅状尼龙纤维每个光栅的宽度为10mm，相邻两个光栅的距离为12mm。将内径为20mm、管壁厚为0.7mm、管长为180mm的PTFE管分别用水、酒精超声清洗1h，然后将PTFE管放于70℃的烘箱中40min；烘干后，使用电感耦合等离子体对PTFE管内壁进行刻蚀处理，刻蚀过程中，ICP功率为500W，RF功率为100W，腔体压力为15mTorr，刻蚀时间400s。随后，将指叉状的铜电极紧密地贴合于PTFE管外壁，铜电极宽度为10mm，相邻两个铜电极的距离为1mm，再用聚酰亚胺双面胶带将铜电极包裹起来。最后，将直径为70μm的漆包铜线紧密的缠绕于PTFE管外壁的聚酰亚胺胶带上。
实施例3
用聚酰亚胺双面胶带将直径为15mm、长度为250mm、磁力强度为10000的铷铁硼磁铁完全包裹，使其与外界环境完全绝缘；然后将直径为100μm、长度为10mm的尼龙纤维呈栅状紧密贴合于聚酰亚胺胶带上，作为独立摩擦层，栅状尼龙纤维每个光栅的宽度为15mm，相邻两个光栅的距离为18mm。将内径为31mm、管壁厚为1mm、管长为220mm的PTFE管分别用水、酒精超声清洗2h，然后将PTFE管放于90℃的烘箱中20min；烘干后，使用电感耦合等离子体对PTFE管内壁进行刻蚀处理，刻蚀过程中，ICP功率为700W，RF功率为150W，腔体压力为25mTorr，刻蚀时间300s。随后，将指叉状的铜电极紧密地贴合于PTFE管外壁，铜电极宽度为15mm，相邻两个铜电极的距离为1.5mm，再用聚酰亚胺双面胶带将铜电极包裹起来。最后，将直径为80μm的漆包铜线紧密的缠绕于PTFE管外壁的聚酰亚胺胶带上。

Claims (9)

1.一种活塞式运动的摩擦电磁混合发电机，其特征在于，包括活塞和腔体，所述活塞位于腔体内，且能够在腔体内滑动；所述活塞包括载体，所述载体为外围包裹有第一聚酰亚胺胶带的铷铁硼磁铁，所述第一聚酰亚胺胶带上紧密贴合有呈栅状的尼龙纤维形成独立摩擦层；所述腔体包括摩擦主体，所述摩擦主体为外壁贴合有指叉状的铜电极的聚四氟乙烯管；所述铜电极外包裹有第二聚酰亚胺胶带，所述第二聚酰亚胺胶带上缠绕有漆包铜线作为电磁线圈。
2.根据权利要求1所述的活塞式运动的摩擦电磁混合发电机，其特征在于，所述载体的直径为9.5～15mm，长度为180～250mm，磁力强度为6000～10000高斯。
3.根据权利要求1所述的活塞式运动的摩擦电磁混合发电机，其特征在于，所述尼龙纤维的独立摩擦层直径为65～100μm，纤维长度3～10mm，栅状每个光栅的宽度为5～15mm，相邻两个光栅的距离为6～18mm。
4.根据权利要求1所述的活塞式运动的摩擦电磁混合发电机，其特征在于，所述聚四氟乙烯管内径13.5～31mm，管壁厚0.5～1mm，管长度为150～220mm。
5.根据权利要求1所述的活塞式运动的摩擦电磁混合发电机，其特征在于，所述指叉状铜电极由两组栅状结构铜电极交替构成，栅状结构铜电极宽度为5～15mm，相邻两个栅状结构铜电极的距离为0.5～1.5mm，在两组栅状结构铜电极末端各预留一段作为极耳。
6.根据权利要求1所述的活塞式运动的摩擦电磁混合发电机，其特征在于，所述漆包铜线的直径为60～80μm。
7.一种如权利要求1-7中任一所述活塞式运动的摩擦电磁混合发电机的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)用第一聚酰亚胺胶带将铷铁硼磁铁完全包裹，作为载体；然后将尼龙纤维呈栅状紧密贴合于第一聚酰亚胺胶带上，作为独立摩擦层；载体与独立摩擦层集成于一体作为活塞；
(2)将聚四氟乙烯管进行超声清洗、烘干，使用电感耦合等离子体对聚四氟乙烯管内壁进行处理，将指叉状的铜电极紧密地贴合于聚四氟乙烯管的外壁，作为摩擦主体；用聚酰亚胺胶带将铜电极包裹起来，然后将漆包铜线紧密的缠绕于聚酰亚胺胶带上，作为电磁线圈；摩擦主体与电磁线圈集成于一体作为腔体。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述聚四氟乙烯管超声清洗的时间为0.5～2h，烘干的温度为60～90℃，烘干的时间为20～60min。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述电感耦合等离子体刻蚀过程中ICP功率为200～700W，RF功率为30～150W，腔体压力为5～25mTorr，刻蚀时间为300～500s。
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